:2 西南师范大学光电所 周自刚博士 Email:zizhou@163.net
波动光学 西南师范大学光电所 周自刚 博士 Email:zigzhou@163.net
目录 第一章光的干涉 1-1光源光的相干性 光源 光波的描述 三光的相干性四获得相干光的方法 1-2光程光程差 光程 二光程差 三成象的等光程性四半浪损失 1-3分波前双光束干涉 杨氏双缝干涉 二分浪前干涉的其它一些实验
第一章 光的干涉 目录 1-1 光源 光的相干性 1-2 光程 光程差 1-3 分波前双光束干涉 一 杨氏双缝干涉 二 分波前干涉的其它一些实验 一 光程 二 光程差 三 成象的等光程性 四 半波损失 一 光源 二 光波的描述 三 光的相干性 四 获得相干光的方法
前言 几何光学和波动光学是经典光学的两个组成部分。 几何光学从光的直线传播、反射、折射等基本实 验定律出发,讨论成像等特殊类型的传播问题, 它在方法上是几何的,在物理上不必涉及光的本 性。但是,要真正理解光,理解光场中可能发生 的一切绚丽多彩的景象,必须研究光的波动性。 此外,也只有从光的波动理论才能看出几何光学 理论的限度
前言 几何光学和波动光学是经典光学的两个组成部分。 几何光学从光的直线传播、反射、折射等基本实 验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题， 它在方法上是几何的，在物理上不必涉及光的本 性。但是，要真正理解光，理解光场中可能发生 的一切绚丽多彩的景象，必须研究光的波动性。 此外，也只有从光的波动理论才能看出几何光学 理论的限度
波动概论 振动在空间的传播形成波动,波场中每点的物理状态 随时间作周期性变化,而在每一瞬时波场中各点物理状态 的空间分布也呈现一定的周期性,因此,我们说波动具有 时空双重周期性。此外,伴随着波动,总有能量的传输, 具有时空双重周期性的运动形式和能量的传输,是一切波 动的基本特性,不具备这种特性的事物,不能成为严格意 义下的波动。 波场中物理状态的扰动可用标量场描述的,称为标量 波;需用矢量场找述的,称为矢量波,例如,密度波、温 度波等是标量波,电磁波(包括光波)是典型的矢量波。 波场的几何描述使用波面和波线的概念波面,也叫做等相 面,它是扰动的位相相等的各点的轨迹
波动概论 振动在空间的传播形成波动，波场中每点的物理状态 随时间作周期性变化，而在每一瞬时波场中各点物理状态 的空间分布也呈现一定的周期性，因此，我们说波动具有 时空双重周期性。此外，伴随着波动，总有能量的传输， 具有时空双重周期性的运动形式和能量的传输，是一切波 动的基本特性，不具备这种特性的事物，不能成为严格意 义下的波动。 波场中物理状态的扰动可用标量场描述的，称为标量 波；需用矢量场找述的，称为矢量波，例如，密度波、温 度波等是标量波，电磁波（包括光波）是典型的矢量波。 波场的几何描述使用波面和波线的概念波面，也叫做等相 面，它是扰动的位相相等的各点的轨迹
亠般说来,波面是三维空间里的曲面族,能量传播 的路径叫做波线,在各向同性媒质中波线是与波面 处处正交的空间里的曲线族,在各向异性媒质中比 较复杂,波线与波面一般不正交,波面为球面的 波,叫做球面波,波面为平面的波为平面波,球面 波就是几何光学中所说的同心光束;平面波就是平 行光束。它也可以看成是中心位于无穷远的同心光 束。在具有多各形状波面的波动中,球面波和平面 波占有特殊的地位,这一方面是因为它们比较简单, 从而也被研究得比较透彻
一般说来，波面是三维空间里的曲面族，能量传播 的路径叫做波线，在各向同性媒质中波线是与波面 处处正交的空间里的曲线族，在各向异性媒质中比 较复杂，波线与波面一般不正交， 波面为球面的 波，叫做球面波，波面为平面的波为平面波，球面 波就是几何光学中所说的同心光束；平面波就是平 行光束。它也可以看成是中心位于无穷远的同心光 束。在具有多各形状波面的波动中，球面波和平面 波占有特殊的地位，这一方面是因为它们比较简单， 从而也被研究得比较透彻
第一章光的干涉 1-1光源光的相干性<108秒 光源 光波列长度/=△×c 普通光源发光的间隙性 2发光的随机性 1 激光光源:单色性好。 △v△表示光源单色性好坏 二光波的描述 u 电场强度E的振动称为光振动。3r
第一章 光的干涉 1-1 光源 光的相干性 一 光源 二 光波的描述 普通光源： 2 发光的随机性 1 发光的间隙性 t 10−8 秒 激光光源： 单色性好。 ； 表示光源单色性好坏 光波列长度 l = tc 电场强度E的振动称为光振动。 S p r u r r o l
1.2定态光波的概念 具有如下性质的波场叫定态波场: (1)空间各点的扰动是同频率的简谐振荡(频率与振源 相同) (2)波场中各点扰动的振幅不随时间变化,在空间形成 个稳定的振幅分布严格的定态光波要求波列无限长 但任何实际光源的发光过程总是有限的,特别从微观角度 看,发光的过程是断断续续的,以后我们会看到,有限波 列不可能是来格单色的。不过当波列的持续时间比扰动的 周期长得多时,除了考虑某些物殊的问题外,我们可把它 当做无限长单色波列处理,这样的波在空间传播时形成定 态波场。 普遍的定态标量波的表达式为UA)w)其中P代 表场点,函数A(P)反映振幅的空间分布,P)反映位相 的
1.2定态光波的概念 具有如下性质的波场叫定态波场： （1）空间各点的扰动是同频率的简谐振荡（频率与振源 相同）； （2）波场中各点扰动的振幅不随时间变化，在空间形成 一个稳定的振幅分布 严格的定态光波要求波列无限长， 但任何实际光源的发光过程总是有限的，特别从微观角度 看，发光的过程是断断续续的，以后我们会看到，有限波 列不可能是来格单色的。不过当波列的持续时间比扰动的 周期长得多时，除了考虑某些物殊的问题外，我们可把它 当做无限长单色波列处理，这样的波在空间传播时形成定 态波场。 普遍的定态标量波的表达式为 其中P代 表场点，函数A（P）反映振幅的空间分布， 反映位相 的
空间分布,二者都与时间t有关的是位相因子中独立的一 项wt(w.圆频率),这项又是与场点坐标无关的。 诚然,定态光波的波面也可以有各式各们的形状,我 们重点讲座一态平面波和球面波。 (1)平面波波函数U(P,t)的特点是: )振幅A(P)是常数,它与场点坐标无关; (工)位相cP)是直角坐标的线性函数,即 P)k·r+t=kx+ky+kz 式中矢量k水是波矢,其大小k与波长人的关系为 k=2m/A,它的方向代表波的传播方向,xy+z2是场 点P的位置矢量,这里x,是沿直角坐标轴的三个单位 基矢。-是坐标原点O处的初位相 2)球面波波函数∪(P,t)特点是: ()振幅A(P)=a/r反比于场点到振源的距离r这是能 量守恒的要求。 (ID位相分布的形式为委(P)=K,是振源的初位 相
空间分布，二者都与时间t有关的是位相因子中独立的一 项wt(w为圆频率），这项又是与场点坐标无关的。 诚然，定态光波的波面也可以有各式各们的形状，我 们重点讲座一态平面波和球面波。 （1)平面波波函数U(P,t)的特点是：, （I）振幅A（P）是常数，它与场点坐标无关； (II)位相 是直角坐标的线性函数，即 式中矢量 是波矢，其大小k与波长λ的关系为 ，它的方向代表波的传播方向， 是场 点P的位置矢量，这里 是沿直角坐标轴的三个单位 基矢。--Φ是坐标原点O处的初位相。 （2）球面波波函数U（P，t)特点是： （I）振幅A（P）=a/r反比于场点到振源的距离r,这是能 量守恒的要求。 （II）位相分布的形式为Φ（P）=kr , 是振源的初位 相
2.1波前的概念 人们在研究定态光波时,将用“波前”一词指波 场中任一曲面,更多地指一个平面,如记录介质 感光底片、接收屏幕、透明的黑白画面等所在的 平面。一列波携带着许多信息,如频率、波长和 传播方向(二者包含在波矢中),振幅分布,位 相分布,传播速度
2.1 波前的概念 人们在研究定态光波时，将用“波前”一词指波 场中任一曲面，更多地指一个平面，如记录介质、 感光底片、接收屏幕、透明的黑白画面等所在的 平面。一列波携带着许多信息，如频率、波长和 传播方向（二者包含在波矢中），振幅分布，位 相分布，传播速度，等等
3.1波的叠加原理 经验告诉我们,当两列波在空间交迭时,它的传播互不干 扰,亦即每列波如何传播,就象另一列波完全不存在一样, 各自独立进行,这就是所谓的光的独立传播定律。 这不是光波所特有的,而是一般波动的性质,这就是波 的独立传播定律.但光的独立传播定律并不是普遍成立的, 它和任何定律一样是有条件的.当两列(或多列)波同时 存在时,在它们的交迭区域内每点的振动是各列波单独在 该点产生的振动的合成.这就是波的迭加原理 波的迭加原理与独立传播定律一样,适用性是有条件的。 条件一是媒质,二是波的强度。波在媒质中服从迭加原理 的媒质,称为线性媒质,不服从迭加原理的媒质,称为非 线性媒质,违反迭加原理的效应,称为非线性效应
3.1 波的叠加原理 经验告诉我们，当两列波在空间交迭时，它的传播互不干 扰，亦即每列波如何传播，就象另一列波完全不存在一样， 各自独立进行，这就是所谓的光的独立传播定律。 这不是光波所特有的，而是一般波动的性质，这就是波 的独立传播定律．但光的独立传播定律并不是普遍成立的， 它和任何定律一样是有条件的．当两列（或多列）波同时 存在时，在它们的交迭区域内每点的振动是各列波单独在 该点产生的振动的合成．这就是波的迭加原理． 波的迭加原理与独立传播定律一样，适用性是有条件的。 条件一是媒质，二是波的强度。波在媒质中服从迭加原理 的媒质，称为线性媒质，不服从迭加原理的媒质，称为非 线性媒质，违反迭加原理的效应，称为非线性效应